什么是彩虹？

彩虹是一種美麗的大氣光學現象，當陽光照射到空中的水滴時，水滴對光線產生折射和反射，形成一條弧形的七彩光帶。彩虹的顏色由外到內依次是紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫，每種顏色都對應著不同的折射角度和反射次數。彩虹的位置和形狀取決于觀察者和太陽的相對位置，一般出現在雨后天晴或瀑布附近，背對太陽的方向。除此之外，細心的小朋友會發現，有時街頭上跑著的灑水車后會出現彩虹；當我們用噴霧器向空中噴霧時，也會出現彩虹。

彩虹是怎樣形成的？

要形成彩虹，需要滿足以下三個條件：

1. 空中有水滴，可以是雨滴、霧滴或噴泉等。

2. 太陽在低角度照射水滴，一般在 42 度以下。

3. 觀察者背對太陽，面向水滴所在的方向。

當這三個條件同時滿足時，水滴就會對太陽光產生以下三種光學效應：

1.折射：當光線從一種介質進入另一種介質時，會改變傳播方向。水對光有色散作用，即不同波長（顏色）的光在水中的折射率不同，紅光的折射率最小，紫光的折射率最大。因此，當陽光從空氣進入水滴時，會被分成不同顏色的光線，并且偏離原來的方向。如圖 1所示。

圖 1: 陽光在水滴中發生折射

2.反射：當光線從一種介質進入另一種介質后，在界面上遇到不透明或不完全透明的物質時，會返回原來的介質。在水滴內部，光線會在水滴背面遇到空氣時發生反射，返回水滴內部。如圖 2所示。

圖 2: 陽光在水滴內發生反射

3.再折射：當反射后的光線從水滴內部再次進入空氣時，會再次發生折射，改變傳播方向。

通過這三種光學效應，陽光被水滴分散成不同顏色的光線，并且從水滴內部反射出來，形成彩虹。不同顏色的光線在水滴內部的反射角度不同，紅光的反射角度最大，紫光的反射角度最小。因此，當觀察者看向水滴時，會看到不同顏色的光線從不同的方向射來，形成一條彩色的弧形光帶。如圖 3所示。

圖 3: 觀察者看到的彩虹

彩虹有什么特點？

彩虹有以下一些特點：

1.彩虹是一種主觀的現象，不是固定在某個位置的物體，而是取決于觀察者和太陽的相對位置。不同的觀察者看到的彩虹可能不一樣，甚至有些觀察者可能根本看不到彩虹。

2.彩虹是一種圓形的現象，但通常我們只能看到一半或更少，因為地平線會遮擋住下半部分。如果在高空或飛機上觀察，有可能看到完整的圓形彩虹。

3.彩虹是一種連續的現象，它并沒有嚴格分開的七種顏色，而是由無數種顏色組成的連續光譜。我們通常用紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫來描述彩虹的顏色，只是為了方便記憶和區分，并沒有特別的物理意義。

什么是霓虹？

細心的小朋友又會發現，有時候彩虹外面還有一道“彩虹”，這是為什么呀？其實啊，它是副彩虹。副彩虹是由于光線在水滴內部反射兩次而形成的，它的顏色順序和主彩虹相反，而且亮度較低，如圖 4所示。副彩虹也稱為霓虹，讀到這里，相必大家都會說：“哦，原來這就是傳說中的霓虹啊！”除此之外，彩虹是一種多重的現象，除了最常見的主彩虹、副彩虹之外，還可能有三重彩虹、四重彩虹等。三重彩虹和四重彩虹是由于光線在水滴內部反射三次或四次而形成的，它們很難觀察到，因為它們出現在太陽的同側，而且亮度很低。

圖 4: 陽光在水滴中發生兩次反射再折射

總結

彩虹是一種美麗而神奇的自然現象，它是由于陽光照射到空中的水滴時發生折射和反射而形成的。我們可以通過理解光學原理來解釋彩虹的形成過程和特點，也可以通過欣賞彩虹來感受大自然的魅力和奧妙。

來源: 鄭州大學物理學院